Universidade Federal de Juiz de Fora

Faculdade de Engenharia Elétrica

Departamento de Energia

Gustavo Fernandes Oliveira

ENSAIOS NA BANCADA DE BOMBA CENTRÍFUGA DO LEENER DA UFJF

VISANDO A ECONOMIA DE ENERGIA

Trabalho de Conclusão de Curso

Juiz de Fora

2017

Gustavo Fernandes Oliveira

ENSAIOS NA BANCADA DE BOMBA CENTRÍFUGA DO LEENER DA UFJF

VISANDO A ECONOMIA DE ENERGIA

Trabalho de Conclusão de Curso submetido à

Coordenação do Curso de Graduação em Engenharia

Elétrica, da Universidade Federal de Juiz de Fora,

como requisito parcial à obtenção do título de

bacharel em Engenharia Elétrica, habilitação em

Energia.

Orientador: Prof. Cristiano Gomes Casagrande, Dr. Eng.

Juiz de Fora

2017

Ficha catalográfica elaborada através do programa de geração

automática da Biblioteca Universitária da UFJF,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Oliveira, Gustavo Fernandes.

ENSAIOS NA BANCADA DE BOMBA CENTRÍFUGA DO

LEENER DA UFJF VISANDO A ECONOMIA DE ENERGIA /

Gustavo Fernandes Oliveira. -- 2017.

53 f. : il.

Orientador: Cristiano Gomes Casagrande

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Universidade

Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia, 2017.

1. Sistemas de bombeamento. 2. Eficiência energética. 3.

Combate ao desperdício. 4. Operação. 5. Sistemas motrizes. I.

Casagrande, Cristiano Gomes, orient. II. Título.

Gustavo Fernandes Oliveira

ENSAIOS NA BANCADA DE BOMBA CENTRÍFUGA DO LEENER DA UFJF

VISANDO A ECONOMIA DE ENERGIA

Trabalho de Conclusão de Curso submetido à

Coordenação do Curso de Graduação em Engenharia

Elétrica, da Universidade Federal de Juiz de Fora,

como requisito parcial à obtenção do título de

bacharel em Engenharia Elétrica, habilitação em

Energia.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________________________________

Prof. Cristiano Gomes Casagrande, Dr. Eng. – UFJF (Orientador)

_________________________________________________________________

Prof. Danilo Pereira Pinto, D. Sc. – UFJF

________________________________________________________________

Prof. Israel Filipe Lopes, M. Eng. – UFJF

Juiz de Fora, MG, Brasil.

Março de 2017

À minha família,

que sempre esteve ao meu lado nessa jornada.

Em memória de

Geraldo Fernandes

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiro ao Deus, que me permitiu chegar aonde cheguei e me dar a

oportunidade de continuar fazendo o bem.

Agradeço aos meus Pais, por me dedicarem suas vidas ao meu crescimento, nunca

deixando de lado o carinho, proteção e amor.

Ao meu irmão que sempre está do meu lado, e quando alguma dificuldade surge, está

sempre disponível.

Aos meu Tios e Tias, que sempre me apoiaram e me ajudaram no que era preciso.

À minha namorada, Claudia, que esteve comigo na fase mais difícil da minha vida,

sempre me fazendo feliz, me dando os melhores conselhos e sendo parceira, meu muito

obrigado.

Ao meu orientador Casagrande, por me motivar e compartilhar seu conhecimento para

que este trabalho fosse possível. Aos professores Israel e Danilo por contribuírem para este

trabalho.

Aos meus amigos do grupo PET Elétrica UFJF, e em especial ao meu tutor e amigo

Francisco José Gomes.

À BRMALLS, por me fazer uma pessoa melhor que eu era há 2 anos atrás. Aos amigos

que fiz lá: Tamires, Guilherme, Thiago, Juliane e todo time Independência Shopping. Aos

meus gestores: Costa, S1, Pedro Guelli e Pedro Caixeiro.

Aos meus amigos de infância e que até hoje estão comigo: Novais, Fábio, Hugo, Victor,

Eduardo e Siqueira.

Enfim, deixo meus sinceros agradecimentos a todos os amigos que de uma ou outra

forma estiveram comigo direta ou indiretamente durante este tempo. Poderia escrever dez

páginas de agradecimentos à todos que me ajudaram para que eu chegasse até aqui, mas ainda

faltariam muitas pessoas.

“If you go as far as you can see,

You will then see enough to go even farther”.

John Wooden

RESUMO

O cenário energético atual exige das empresas um investimento cada vez maior em eficiência

energética. E os setores que mais consomem energia atualmente são o foco das empresas de

serviço em conservação de energia - ESCO’s. A indústria e o comércio representam mais de

55% do consumo de eletricidade total do Brasil, e as maiores cargas instaladas nesses setores

são sistemas motrizes. Tem-se um leque de possibilidades de redução de consumo a partir do

retrofit de equipamentos e principalmente, operação. Com a bancada de bombas centrífugas e

dinamômetro disponível no Laboratório de Eficiência Energética – LEENER, da

Universidade Federal de Juiz de Fora, o presente estudo tem como objetivo verificar na

prática diferentes modos de operação das bombas hidráulicas, assim como aspectos

construtivos e características. Com base na teoria de mecânica dos fluidos e hidrodinâmica,

ensaios foram realizados na bancada, a fim de se verificar aspectos operacionais e de

manutenção, em prol da eficiência energética.

Palavras-chave: Bombas; Sistemas Motrizes; Eficiência Energética; ESCO; Combate ao

Desperdício de Energia.

SUMÁRIO

Capítulo 1

Introdução ......................................................................................................................... 12

1.1. Considerações Iniciais .......................................................................................... 12

1.2. O sistema de bombeamento na Indústria e Condomínios Comerciais.................. 14

1.3. Objetivos ............................................................................................................... 15

1.4. Estrutura do Trabalho ........................................................................................... 15

Capítulo 2

Sistemas de Bombeamento…………................................................................................ 16

2.1. Grandezas envolvidas e propriedades dos fluidos................................................. 16

2.2. Aspectos construtivos............................................................................................ 17

2.2.1. Fase de projeto............................................................................................. 17

2.2.2. Tubulação e perdas do sistema.................................................................... 18

2.2.3. Curva característica do sistema.................................................................... 24

2.2.4. Classificação e características das bombas.................................................. 24

2.2.5. Formas de operação...................................................................................... 28

Capítulo 3

A bancada de estudos: estrutura e ensaios........................................................................ 32

3.1. A bancada de bomba centrífuga e dinamômetro................................................... 32

3.1.1. O acionamento............................................................................................. 32

3.1.2. Os motores e a bomba centrífuga................................................................. 34

3.1.3. O sistema de bombeamento......................................................................... 37

3.1.4. O medidor de energia.................................................................................. 38

3.1.5. O controlador lógico programável e rede de comunicação......................... 39

3.1.6. O sistema supervisóro.................................................................................. 40

3.2. Ensaios realizados na bancada de estudos............................................................. 41

Capítulo 4

Resultados.................................................. ..................................................................... 42

4.1. Curva característica do sistema............................................................................ 42

4.2. Curva característica da bomba.............................................................................. 44

4.3. Ponto de Operação................................................................................................ 46

4.4. Comparação entre métodos de controle................................................................ 48

9

4.5. Termografia para verificação das perdas na tubulação......................................... 50

Capítulo 5

Conclusões ....................................................................................................................... 52

5.1. Conclusões ........................................................................................................... 52

5.2. Trabalhos futuros .................................................................................................. 53

Referências Bibliográficas ................................................................................................ 54

10

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Risco anual de déficit por subsistema, 2008 .................................................. 12

Figura 1.2 – Risco anual de déficit por subsistema, 2015 .................................................. 13

Figura 1.3 – Composição setorial do consumo de eletricidade .......................................... 13

Figura 2.1 – Diagrama de Moody ....................................................................................... 21

Figura 2.2 – Rugosidade relativa e coeficiente de atrito ..................................................... 22

Figura 2.3 – Curva característica de uma instalação ........................................................... 24

Figura 2.4 – Classificações dos principais tipos de bombas ............................................... 25

Figura 2.5 – Bomba centrífuga radial ................................................................................. 25

Figura 2.6 – Principais curvas características de bombas ................................................... 26

Figura 2.7 – Ponto de operação de uma bomba .................................................................. 28

Figura 2.8 – Ponto de operação alterado por ação de uma válvula ..................................... 29

Figura 2.9 – Ponto de operação alterado por ação de do conversor de frequência ............. 30

Figura 3.1 – Bancada de bomba centrífuga e dinamômetro do LEENER – UFJF .............. 32

Figura 3.2 – Tipos de curvas de bombas centrífugas .......................................................... 36

Figura 3.3 – Visão geral do sistema que compõe a bancada ............................................... 37

Figura 3.4 – Esquemático da rede de comunicação da bancada de bomba centrífuga ........ 39

Figura 3.5 – Tela de fluxograma do sistema de bombeamento e dinamômetro .................. 40

Figura 4.1 – Tela de banco de dados na interface do supervisório ...................................... 42

Figura 4.2 – Curva característica da instalação (pressão x vazão) ...................................... 43

Figura 4.3 – Curva característica da instalação (pressão x vazão) com efeito do tempo ..... 44

Figura 4.4 – Curva característica da bomba (pressão x vazão) ............................................ 45

Figura 4.5 – Curva característica da bomba (pressão x vazão) com efeito do tempo .......... 46

Figura 4.6 – Ponto de operação ............................................................................................ 47

Figura 4.7 – Ponto de operação com efeito do tempo .......................................................... 47

Figura 4.8 – Vazão vs. Pressão vs. Potência: controle por inversor ..................................... 48

Figura 4.9 – Vazão vs. Pressão vs. Potência: controle por válvula ...................................... 48

Figura 4.10 Vazão vs. Potência: controle por meio de inversor e por válvula ..................... 49

Figura 4.11 – Vazão vs. Pressão: controle por meio de inversor e por válvula ................... 49

Figura 4.12 – Vazão % vs. Pressão %: economia com uso de inversor .............................. 50

Figura 4.13 Termografia em uma tubulação reta e em uma curva de 90º ............................ 50

11

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Grandezas e unidades de medidas ................................................................... 16

Tabela 2.2 – Valores de K para diferentes tipos de peças de tubulações ............................. 23

Tabela 3.1 – Dados dos motores que compõem a bancada .................................................. 34

Tabela 3.2 – Dados da bomba centrífuga radial que compõe a bancada .............................. 35

Tabela 3.3 – Legenda para componentes do sistema ............................................................ 38

Tabela 4.1 – Medições para obtenção da curva de instalação .............................................. 43

Tabela 4.2 – Medições para obtenção da curva da bomba ................................................... 45

12

Capítulo 1

Introdução

1.1. Considerações Iniciais

O Brasil está enfrentando os resquícios de uma crise energética sem precedentes. Em

2001 ocorreu o colapso do sistema, culminando no “apagão” e uma sociedade que reviu todos

os hábitos de consumo de energia. Em 2015, a falta de investimentos no setor, aliada ao

aumento gradativo do consumo de energia elétrica – um apelo inerente aos tempos modernos

– resultaram novamente em uma crise. Não chegou a alcançar a mesma situação vista no

início do século XXI, porém, novamente, população e governo se viram na necessidade de

mudar. Abaixo as Figuras 1.1 e 1.2 extraídas do relatório do PDE 2008 e 2015, mostram o

risco de déficit numa escala de 0-5%.

Figura 1.1 – Risco anual de déficit por subsistema 2008 (Fonte: EPE, 2008).

13

Figura 1.2 – Risco anual de déficit por subsistema 2015 (Fonte: EPE, 2015).

A busca por fontes geradoras de energia que suprissem o sistema, fez com que o

governo aumentasse o incentivo, admitindo as fontes renováveis como uma das soluções ao

problema. De janeiro de 2015 a maio de 2016 mais de 3,5 mil conexões de energia

fotovoltaica distribuída foram instaladas, sendo que 79% foram em residências (MME, 2016).

Em particular o setor industrial e comercial vem encontrando dificuldades em expandir

e a crise do setor energético é um dos fatores que estão fazendo as empresas olharem cada vez

mais para dentro e observarem tudo que pode ser feito para reduzir os custos. Esses dois

setores correspondem à cerca de 55% do consumo de eletricidade do Brasil, apresentado na

Figura 1.3 (EPE, 2016).

Figura 1.3 – Composição setorial do consumo de eletricidade (Fonte: EPE, 2015).

14

Dessa forma, ações para o aumento da eficiência energética são vitais e possuem alto

impacto no alcance das metas de redução de consumo e perdas, e agindo como virtuais

geradores de energia.

1.2. Os Sistemas de Bombeamento na Industria e Condomínios Comerciais

Nas indústrias e edificações comerciais, as máquinas hidráulicas, em particular os

conjuntos “moto-bomba”, são responsáveis por grande parcela da demanda instalada.

No sistema de bombeamento, os motores elétricos têm como carga as bombas, que são

responsáveis pelo transporte de fluidos.

Em levantamento feito no Independência Shopping, em Juiz de Fora, MG, a

representatividade das bombas de água gelada do sistema de ar condicionado, mais as bombas

de recalque e sistema de combate ao incêndio, chega a 11% da demanda instalada.

De maneira geral, os sistemas de bombeamento de água sofrem com grandes

desperdícios de energia, no que diz respeito à operação e envelhecimento do sistema. Por

exemplo, nos sistemas de bombeamento é comum o uso da variação de vazão. Para isso, o

sistema é projetado para fornecer uma vazão máxima e, a partir desse valor, são utilizados

métodos de controle capazes de reduzir a vazão de trabalho (JÚNIOR, 2006). O método mais

antigo e mais utilizado emprega o uso de válvulas de estrangulamento para regular a vazão.

Além deste, também existe o chamado controle por meio de válvulas bypass. Todavia, a

forma como esses tipos de controle é realizada faz com que o sistema opere com grandes

desperdícios de energia. Outro método existente, e em crescente difusão, consiste em utilizar

dispositivos eletrônicos chamados inversores de frequência capazes de controlar a velocidade

de rotação das bombas, por meio da variação da velocidade de motores de indução trifásicos.

Esses dispositivos, mais conhecidos como inversores de frequência, apresentam um maior

custo, comparado com as válvulas de estrangulamento, entretanto o seu uso permite que o

sistema de bombeamento opere com menos desperdício de energia elétrica no controle de

vazão (LOPES, 2010).

Outras duas causas de perdas muito grandes nos sistemas de bombeamento são os

vazamentos e corrosões nas tubulações. Segundo informações do Sistema Nacional de

Informações sobre Saneamento (SNIS), o Brasil, no ano de 2015, perdeu cerca de 37% da

água distribuída pelos prestadores de serviço, em relação à água produzida (SNIS, 2015).

15

1.3. Objetivos

Conforme visto nos itens 1.1 e 1.2, os sistemas motrizes são parcela importante do

consumo e, no cenário atual, é necessário realizar estudos com o foco em eficiência

energética. O presente trabalho busca realizar um estudo sobre os sistemas de bombeamento,

desde aspectos construtivos e operação de modo a ter maior eficiência energética, a análise de

desempenho conforme o envelhecimento das instalações. Para isso foi utilizada a bancada de

“Bomba Centrífuga e Dinamômetro” do Ambiente de Sistemas Motrizes do Laboratório de

Eficiência Energética (LEENER) da Universidade Federal de Juiz de Fora, como ferramenta

para realização de ensaios simulando instalações de grande porte.

É importante mencionar que toda a metodologia dos estudos para o combate ao

desperdício de energia consiste em analisar bancos de dados, comportamento mecânico e

formas de operação, como uma auditoria energética do sistema e a partir disso, tirar

conclusões sobre como será possível reduzir o consumo de energia elétrica.

1.4. Estrutura do trabalho

Neste capítulo, vimos o cenário energético pelo qual passamos. Em uma mistura de

cautela dos investidores e foco em melhoria de processos, planejamento e eficiência, tem-se o

surgimento de diversas empresas de serviço em conservação de energia - ESCO’s - e projetos

em prol diversificação da matriz energética, expansão da geração e eficiência energética. Foi

levantado também o perfil do consumo de energia atual, segundo o BEN 2016 – Balanço

Energético Anual, no qual a indústria e o comércio representam mais da metade do consumo

anual. Foi mostrado também que desses dois setores, a parcela referente aos sistemas motrizes

é significativa e importante a ser levado em consideração nos estudos de operação e

manutenção.

No capítulo 2, tem-se a base teórica necessária para se observar o comportamento dos

sistemas de bombeamento. Aspectos construtivos, características dos sistemas, formas de

operação e possíveis problemas também são apresentados neste capítulo.

O capítulo 3 apresenta a bancada de estudos, com descrição geral das bancadas e lista

dos principais equipamentos presentes nela. Este capítulo traz também a metodologia

utilizada nos ensaios e o que se espera dos mesmos.

Por fim, os capítulos 4 e 5 apresentam os resultados, interpretações e conclusões.

16

Capítulo 2

Sistemas de Bombeamento

O presente capítulo tem como objetivo estruturar toda a teoria, abrangendo de forma

breve todas as propriedades necessárias para o projeto de um sistema de bombeamento. Em

seguida são apresentadas características dos principais materiais usados e modos de operação

do sistema.

2.1. Grandezas envolvidas e propriedades dos fluidos

Para iniciar o estudo dos sistemas de bombeamento, é necessário a compreensão de

alguns conceitos básicos e conhecimento das grandezas envolvidas. Este item, apresenta

resumidamente as principais grandezas envolvidas no estudo através da Tabela 2.1

(ELETROBRÁS, 2005) abaixo e uma lista com explicação de outras propriedades.

Tabela 2.1 – Grandezas e unidades de medidas (ELETROBRÁS, 2005).

Grandeza Símbolo Unidade Unidades práticas

Peso específico ƴ N/m³ kgf/m³

Pressão p N/m² (Pa) kgf/cm²

Vazão (volumétrica) Q m³/s l/s, m³/h

Viscosidade absoluta µ N.s/m² (Pa.s) cP (centipoise)

Viscosidade cinemática v m²/s cSt (centistoke)

Energia (trabalho) W J (Nxm) kWh, MWh

Potência P Watt hp e cv

Frequência F Hz rpm

Carga hidráulica (energia/volume) H mca m

1) Número de Reynolds: é um número adimensional que retrata o tipo de

movimento de um fluido: laminar ou turbulento (ELETROBRÁS, 2005).

Símbolo: Re.

17

2) Altura de sucção: é o desnível geométrico (altura) entre o nível dinâmico da

captação e o bocal de sucção da bomba (SCHNEIDER, 2016).

Símbolo: AS, ou Hs.

Unidade: m, ou mca.

3) Altura de Recalque: é o desnível geométrico (altura) entre o bocal de sucção

da bomba e o ponto de maior elevação do fluido até o destino final da instalação

(reservatório de sucção, por exemplo) (SCHNEIDER, 2016).

Símbolo: AR, ou Hr.

Unidade: m.

4) Altura Manométrica Total: é a altura total (ou carga hidráulica total)

exigida pelo sistema. A bomba deverá ceder energia suficiente ao fluido para que este

alcance essa altura. São levados em consideração os desníveis geométricos de sucção

de recalque, AS e AR, respectivamente, e as perdas de carga por atrito na tubulação

(SCHNEIDER, 2016).

Símbolo: AMT ou HTM.

Unidade: m.

5) Perda de Carga: é a perda de energia devido ao atrito existente entre a

parede interna da tubulação (tubos e conexões) e o fluido (SCHNEIDER, 2016).

Símbolo: h.

Unidade: mca.

2.2. Aspectos construtivos

2.2.1. Fase de projeto

Normalmente, quando é feita a encomenda do projeto de uma instalação hidráulica

industrial, são fornecidos, no mínimo o local de onde o fluido deve ser retirado, o local onde o

fluido deve chegar e o consumo de fluido (SANTOS, 2007). A partir destas informações, o

18

projeto é feito, e o que for dimensionado terá impacto efetivo na eficiência energética do

sistema.

Lista-se abaixo, de maneira geral, as fases do projeto do sistema:

Determinação, de acordo com o consumo de fluido fornecido, a vazão do projeto;

Determinação da tubulação (válvulas e conexões) e calcular as perdas do sistema;

Determinação da curva característica da instalação;

Determinação da bomba, observando a vazão desejada, suprindo as perdas de

carga com maior rendimento possível.

A vazão de projeto, conforme visto acima, normalmente já é informada para a

concepção do projeto. Porém, através da equação (2.1) é possível determina-la.

t

VQ (2.1)

Onde:

Q: é a vazão, em m3/s no Sistema Internacional de Unidades (SI). Também pode

ser tratada em m3/h. Isso varia em função da ordem de grandeza do sistema.

V: é o volume médio de deslocamento do fluido, em m³;

t: tempo, em segundos.

2.2.2. Tubulação e perdas do sistema

Em primeiro lugar deve-se escolher o material dos tubos. Para essa escolha devem ser

considerados: tipo de fluido, pressão, temperatura, agressividade, contaminação, custos etc.

Existem diversos materiais que podem ser utilizados, tais como: aço carbono, liga, inox,

ferro fundido etc. O mais utilizado nas instalações hidráulicas industriais é o tubo de aço

carbono, pois é o que apresenta menor relação custo/resistência mecânica (SANTOS, 2007).

19

Os tubos de aço podem ser com ou sem costura – que é o nome dado à solda. No caso

de instalações para passagem de água, recomenda-se a utilização de tubulação galvanizada,

que possui proteção contra corrosão. O tubo galvanizado não pode ser soldado, pois este

processo queima a galvanização.

O cálculo do diâmetro da tubulação é dado pela fórmula de Bresse (2.2).

QKD . (2.2)

Onde:

D: é o diâmetro da tubulação, em metros;

K: é um fator que leva em consideração os custos médios de energia elétrica, material

da tubulação etc. Em média seu valor corresponde a 1,2.

As perdas de carga são divididas em dois tipos diferentes: a “perda de carga

distribuída”, que é aquela que ocorre ao longo da tubulação de forma contínua; e a “perda de

carga localizada”, que é aquela causada por pontos especiais (singularidades) na tubulação

(válvulas, curvas etc.), provocando perdas de energia significativamente maiores que as

perdas distribuídas (ELETROBRÁS, 2005).

Antes de formular cada caso de perda, é necessário frisar que foi considerado o caso

em que há o escoamento turbulento do fluido. O escoamento é dito turbulento, quando as

partículas se movem em todas as direções com velocidades variáveis, em direção e grandeza

de um ponto para outro. Esta definição foi demonstrada experimentalmente por Osborne

Reynolds, ao injetar uma pequena quantidade de líquido colorido na entrada de uma tubulação

de vidro que conduzia água vinda de um tanque. Quando a velocidade do líquido no tubo era

pequena, o líquido escorria seguindo linhas retas e paralelas. Ao aumentar a vazão de água no

tubo por meio de válvulas, a linha do líquido começava a ficar ondulada e depois disto

quebrava com a formação de vórtices, difundindo-se na massa de água.

Dessa forma, o tipo de regime turbulento não permite uma rígida análise matemática e

algum tratamento experimental é utilizado.

20

i) Perda em carga distribuída:

A fórmula para a perda em carga distribuída de Darcy-Weisbach tem duas variações

bastante usadas. A primeira, equação (2.3), não depende da vazão (MATTOS, 1998). Já a

segunda, (2.4) depende (ELETROBRÁS, 2005).

g

V

D

Lfhd

2

2

(2.3)

Onde:

dh : e a perda de carga distribuída, em metros ou ft;

f: é um coeficiente de atrito adimensional, obtido através de fórmulas teórico-

experimentais ou gráficos, e é uma função do número de Reynolds e da rugosidade

relativa da tubulação em estudo;

L: largura da tubulação, em metros ou ft;

D: é o diâmetro da tubulação, em metros ou ft;

V: velocidade, em m/s ou ft/s;

g: gravidade, g=9,81m²/s ou 32,2ft/²/s;

5

2

52

2 ..0826,0..

..8

D

QLf

Dg

LfQhd

(2.4)

O coeficiente f pode ser encontrado de duas formas: uma por meio de gráficos e por

meio de fórmulas teórico-experimentais.

A primeira solução é obtida a partir do diâmetro da tubulação em cruzamento com a

rugosidade relativa para um escoamento tolamente turbulento. De posse da rugosidade

relativa e do número de Reynolds (Re > 4000), é hora de encontrar o coeficiente f través do

diagrama de Moody, na Figura 2.1 (MATTOS, 1998).

21

Figura 2.1 – Diagrama de Moody (Fonte: MATTOS et al, 1998).

A definição do coeficiente f por meio de fórmulas é demonstrada abaixo:

fDf .Re

51,2

.7,3ln.8,0

1 (2.5)

Onde:

: é o coeficiente de rugosidade interna do tubo;

Re: número de Reynolds.

2

9,0Re

74,5

.7,3ln

325,1

D

f

(2.6)

A equação (2.5), proposta por Colebrook White (ELETROBRÁS, 2005), apresenta um

inconveniente que é ter o termo f, dos dois lados da equação, necessitando de um método

iterativo para resolução.

22

Assim, a equação (2.6) proposta por Swamee e Jain (ELETROBRÁS, 2005), aproxima

a menos de 1% os resultados da fórmula de Colebrook White. A Figura 2.2, mostra o gráfico

que permite obter a rugosidade do tubo.

Figura 2.2 – Rugosidade relativa e coeficiente de atrito (Fonte: MATTOS et al, 1998).

23

ii) Perda em carga localizada:

O método direto para perda em carga localizada está descrito pela equação (2.7):

g

Vkh m

l.2

.

2

(2.7)

Onde:

lh : é o valor da perda em carga localizada, dado em mca;

k: é o “coeficiente de perda de carga localizada”, tabelado para diversos tipos peças de

tubulações. Os principais valores de “k” para alguns tipos de peças estão listados na

Tabela 2.2. A norma “NBR 12214 – Projeto de Sistema de Bombeamento de Água

para Abastecimento Público” apresenta uma tabela completa com os valores mais

usuais para “k” (ELETROBRÀS, 2005).

Tabela 2.2 – Valores de “k” para diferentes tipos de peças de tubulações.

Tipo de Peça Valor de k

Ampliação gradual (velocidade na seção

menor) 0,3

Bocais 2,75

Comporta aberta 10,75

Cotovelo de 90 graus 0,9

Cotovelo de 45 graus 0,4

Crivo 0,75

Curva de 90 graus 0,4

Curva de 45 graus 0,2

Entrada normal em canalização 0,5

Registro de Gaveta aberto 0,2

Registro de Globo aberto 10

Tê de passagem direta 0,6

Tê de saída de lado 1,3

Válvula de pé 1,75

Válvula de retenção 2,5

Com isso, podemos concluir que a perda de carga total é expressa pela equação (2.8), e

consista da soma de perda de carga distribuída e localizada.

ldtotal hhh (2.8)

24

2.2.3. Curva característica da instalação (CCI)

Após os cálculos das perdas, o cálculo da curva de instalação é necessário, pois para a

escolhe correta da bomba e ponto de operação, deve-se conhecer o sistema corretamente.

A equação (2.9) que deduz a curva de instalação tem a característica de uma parábola,

em que a perda de carga th é somada a altura geométrica gh , que nada mais é que a soma da

altura da tubulação de sucção com a tubulação de recalque. A Figura 2.3, exemplifica a curva

característica do sistema, ou instalação.

tg hhHMT (2.9)

Figura 2.3 – Curva característica de uma instalação (Fonte: LOPES, 2010).

2.2.4. Classificação e características das bombas

A Figura 2.4 abaixo, resume todos as classes de bombas. Em destaque tem-se as

bombas do tipo centrífugas radiais, que são as mais utilizadas atualmente em instalações

hidráulicas industriais e comerciais. As bombas de deslocamento positivo são utilizadas em

instalações em que a pressão tem mais importância que a vazão do fluido.

25

Figura 2.4 – Classificações dos principais tipos de bombas.

Nas bombas centrífugas ou dinâmicas, ocorre um vazamento interno que permite uma

recirculação do fluido, com pressão e energia alterados.

Dando maior enfoque à bomba centrífuga radial, tem-se a Figura 2.5 abaixo, que

mostra a bomba em um corte transversal.

Figura 2.5 – Bomba centrífuga radial (Fonte: SCHNEIDER, 2016).

O fluido se aproxima na zona e baixa pressão, e alcança o rotor. No rotor, o fluido é

obrigado a passar por canais formados pelas pás; recebe a energia da bomba (zona de alta

pressão) e é lançado pela periferia ao bocal de saída. Entretanto, há uma folga entre o rotor e a

carcaça do caracol, que permite passagem de água, ou vazamento interno. Essa passagem não

é o caminho espontâneo do fluido, porém quando há uma regulagem de vazão por meio de

válvulas, o fluido é obrigado a passar por essa folga. Obviamente, como o fluido é

26

incompreensível, tem-se uma quantidade menor entrando e, por consequência, uma

quantidade menor saindo da bomba. A “porta” de entrada está aberta, a bomba está

funcionando, mas o fluido não entra, pois não há espaço e não há fluxo. A pressão interna

aumenta, mas não indefinidamente; quando atinge certo valor, fica constante, não precisando

de válvula de alívio ou segurança. Abaixo a Figura 2.6, mostra as quatro principais curvas

características das bombas.

Figura 2.6 – Principais curvas características de bombas (Fonte: SOARES, 2016).

A primeira curva característica da bomba é a de vazão por carga manométrica. O

ponto em que a carga é máxima de modo que a vazão se anula, é chamado de “shut-off” da

bomba. A curva característica da bomba não encosta o eixo da vazão, pois não existe uma

bomba que forneça uma vazão tão grande a ponto a ponto de zerar a carga manométrica. A

curva obedece uma equação de segundo grau, do tipo exemplificado na equação (2.10).

cbQQaQH ².)( (2.10)

Onde:

H(Q): pressão ou carga, dependente da vazão;

“a”, “b” e “c”: constantes.

A segunda característica demonstrada na Figura 2.6, é a vazão pela potência. Esta,

obedece uma relação linear descrita na equação (2.11):

mb

c

mb

ele

PHQP

..

.. (2.11)

Onde:

eleP e cP : potência elétrica e potência útil, respectivamente;

27

b e m : rendimento da bomba e do motor, respectivamente.

O gráfico do rendimento de uma bomba radial, por sua vez é definido pela razão entre

potência útil cedida ao líquido ( cP ), e a potência absorvida pela bomba (ALMEIDA, 2010). A

equação (2.12) relaciona a eficiência do motor a grandezas conhecidas, para possibilitar o

cálculo do rendimento da bomba.

tricaeletricaele

mecânicam

P

N

P

P

´´

. (2.12)

Onde:

: torque no motor;

N: rotação mecânica do motor (rad/s).

A quarta característica da bomba que será mostrada, é vazão pelo NPSH (Net Positive

Suction Head).

Caso a energia com a qual o líquido chega ao rotor seja inferior a essa carga mínima,

NPSH requerido pela bomba, o líquido passará da zona de saturação, e haverá a formação de

“bolhas” de vapor. Essas bolhas arrastadas para áreas de alta pressão e velocidade, devido a

rotação no rotor, faz com que batam incessantemente nas pás do rotor, implodindo e

provocando a formação de cavidades. Esse fenômeno, que pode ser percebido facilmente

devido ao ruído intenso, chama-se cavitação. E essa curva de vazão por NPSH, é importante

para evita-lo.

A equação (2.13), determina o NPSH para instalações em que a sucção é negativa, ou

seja, o eixo do rotor está abaixo do nível do reservatório.

pssvatmdisp hHppNPSH (2.13)

Onde:

atmp : pressão atmosférica do local, em mca;

vp : pressão de vapor do fluido, em mca;

sH : altura de sucção, em metros;

psh : pressão de vapor do fluido, em mca.

28

Em termos de projeto, o uso de um coeficiente de forma a garantir que o NPSH

disponível pelo sistema seja maior que o NPSH requerido, é comum. Fabricantes

recomendam que seja somado ao NPSH calculado 0,6 (SCHNEIDER, 2016).

2.2.5. Formas de operação

Se plotarmos as curvas do sistema (CCI), no mesmo gráfico da curva característica da

bomba (CCB), tem-se na interseção da curva de vazão por pressão, o ponto de operação da

bomba, conforme evidenciado na Figura 2.7.

Figura 2.7 – Ponto de operação de uma bomba.

Deve-se considerar que existem diversos recursos para se modificar o ponto de

operação, e deslocar o encontro das curvas QxH da bomba e do sistema. Estes recursos

consistem em modificar a CCB ou a CCI.

Neste trabalho, focaremos em três aspectos que podem alterar o ponto de operação:

i) Atuação na curva de instalação, por meio de válvula;

ii) Atuação na curva da bomba, por meio do controle de velocidade;

iii) Envelhecimento geral do sistema.

29

i) Atuação na curva de instalação, por meio de válvula

O fechamento parcial de uma válvula pode alterar o ponto de funcionamento,

provocando a modificação da curva da instalação. A válvula pode estar localizada no recalque

ou na sucção, porém não é recomendável colocar válvulas no controle de fluxo (tipo globo) na

sucção para evitar problemas de cavitação. O fechamento da válvula, aumenta a perda em

carga distribuída, conforme vista nas equações (2.3) e (2.4), aumentando o comprimento

equivalente da tubulação, e deslocando a curva para a esquerda. A Figura 2.8, exemplifica a

situação descrita.

Figura 2.8 – Ponto de operação alterado por ação de uma válvula.

ii) Atuação na curva da bomba, por meio de controle de velocidade

O controle da velocidade da bomba, alterando assim a curva característica da mesma, é

feito por meio de um conversor de frequência, que atua direto no motor que aciona a bomba.

De modo que o motor, tem sua rotação alterada. Alterando assim a quantidade de água

bombeada para o sistema, a pressão e a potência gerada. A Figura 2.9, evidencia uma

mudança na rotação. Observe que a rotação reduziu de 1 para 2, assim como a vazão e a

pressão.

30

Figura 2.9 – Ponto de operação alterado por ação do conversor de frequência.

Essas relações das propriedades de mecânica dos fluidos com a velocidade, chamam-

se Leis da Similaridade. As equações (2.14), (2.15) e (2.16), são apresentadas abaixo:

1

2

1

2

n

n

Q

Q (2.14)

2

1

2

1

2

n

n

H

H (2.15)

3

1

2

1

2

n

n

P

P (2.16)

iii) Envelhecimento geral do sistema

O envelhecimento da instalação hidráulica também provoca alterações das curvas da

instalação e da bomba.

Na instalação, com o passar do tempo, por ataque do fluido ocorrem incrustações que

modifica a curva característica. A tendência é que a curva suba, assim como no controle por

válvulas da Figura 2.7, só que dessa vez a mudança ocorre na diminuição do diâmetro. Caso a

tubulação seja galvanizada e aterrada (no caso de proteções em tubulações de aço carbono),

esse envelhecimento pode ser mínimo.

31

No caso da bomba, os problemas com o envelhecimento podem ser muitos, caso não

seja dada a manutenção devida. Por exemplo: troca de selo mecânico, verificação do óleo do

rotor, análise de vibração etc. O desgaste do equipamento, ocasiona na queda da curva, assim

como mostrado na Figura 2.8.

Mais à frente, será mostrado o resultado de testes e comparações feitas, com a bancada

após 6 anos de envelhecimento.

32

Capítulo 3

A bancada de estudos: estrutura e ensaios

A bancada de bomba centrífuga e dinamômetro, como o próprio nome indica,

contempla dois tipos de sistema distintos e independentes: o sistema de bombeamento e o

sistema de dinamômetro, que por sua vez, consiste em um dispositivo simulador de cargas. O

presente estudo utilizou-se somente do sistema de bombeamento. A Figura 4.1 apresenta uma

fotografia da bancada em questão.

Figura 3.1 – Bancada de bomba centrífuga e dinamômetro do LEENER-UFJF.

3.1. A bancada de bomba centrífuga e dinamômetro

3.1.1. O acionamento

As bancadas do Ambiente de Sistemas Motrizes possuem três tipos de dispositivos de

acionamento: Partida Direta, Partida Suave (Soft-Starter) e Partida com Inversor de

Frequência.

33

As características técnicas dos dispositivos de partida da bancada serão tratados na

sequência.

a) Partida Direta:

A partida direta é a forma mais simples de se ligar um motor elétrico, na qual as três

fases ligadas diretamente ao motor, ocorrendo um pico de corrente (FRANCHI, 2007). Ela é

realizada por meio de um contator.

Para realizar a partida direta, a bancada utiliza um contator, modelo “TeSys U”, da

fabricante Telemecanique.

b) Soft-Starter:

O funcionamento da soft-starter é baseado na utilização de tiristores SCR’s para ajustar

uma tensão de saída que, posteriormente, será aplicada aos terminais do motor elétrico de

indução trifásico. O controle da tensão de saída é realizado por meio da variação do ângulo de

disparo dos tiristores (FRANCHI, 2007). A soft-starter, entre outras funções, é capaz de ligar

o motor suavemente, fazendo-o acelerar até que seja alcançada a velocidade nominal do

mesmo. Dessa forma, é possível ligar o motor com um valor de corrente inferior àquela

atingida na partida direta, devido ao controle da tensão aplicada ao motor.

O dispositivo da bancada que realiza o acionamento suave corresponde ao modelo

“Altistart 48 - ATS48 D17Y”.

c) Inversor de Frequência:

O inversor de frequência torna possível a redução do consumo de energia elétrica,

através da redução da corrente necessário a partida do motor e redução da velocidade do

mesmo. O método mais eficiente de controle de velocidade de motores de indução trifásicos,

com menores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade, consiste na

variação da frequência da fonte de alimentação através de conversores de frequência (HART,

2011).

O princípio de funcionamento dos conversores de frequência, comumente conhecidos

por inversores de frequência, baseia-se no uso de chaves semicondutoras controladas que

34

realizam técnicas de modulação como, por exemplo, o PWM (Pulse Width Modulation), para

controlar a amplitude e frequência da tensão de alimentação CA aplicada ao motor elétrico.

O inversor da bancada é da fabricante Telemecanique e corresponde ao modelo “Altivar

31 - ATV31HU11M3XA”.

3.1.2. Os motores e a bomba centrífuga

A bancada de bomba centrífuga possui dois motores: um do tipo convencional e o outro

de alto rendimento. A existência desses dois tipos de motores permite, ao usuário, realizar

comparações no consumo de energia do sistema quando acionado pelos dois motores. A

seguir, a Tabela 3.1, apresenta os dados dos motores, e a Tabela 3.2, os dados referentes a

bomba centrífuga.

Tabela 3.1 – Dados dos motores que compõem a bancada.

Marca WEG

WEG - Alto

rendimento

Modelo 1003805722 6K28884

Grau de Proteção IP55 IP55

Potência Nominal 1,0 CV 1,0 CV

Tensão Nominal 220/380 V 220/380 V

Corrente Nominal 3,00/1,74 A 2,92/1,69 A

Frequência Nominal 60 Hz 60 Hz

Velociadade de Rotação 3425 rpm 3440 rpm

Rendimento Nominal 77,10% 81,20%

Fator de potência nominal 0,85 0,83

Isolação F F

Regime S1 S1

Categoria de desempenho N N

Fator de Serviço 1,15 1,15

Corrente com rotor bloqueado

(lp/ln) 7,2 7,8

Altitude 1000m 1000m

35

Tabela 3.2 – Dados da bomba centrífuga radial que compõe a bancada.

Marca Schneider Moto bombas

Modelo BC – 92SK, mancalizada

Potência 1,0 CV

Vazão mín.: 1,6 m³/h; máx.: 7,0 m³/h

Pressão mín.: 2 mca; máx.: 34 mca

Pressão sem vazão (Shut Off) 36 mca

Velocidade de Rotação

Nominal 3450 rpm

Bocais sucção: 1”; recalque: 1”

Diâmetro do rotor 140 mm

Adicionalmente, a Figura 3.2, exibe as curvas características da bomba real da

Schneider.

36

Figura 3.2 – Tipos de curvas de bombas centrífugas (SCHNEIDER, 2016).

37

3.1.3. O sistema de bombeamento

Resumidamente, o sistema de bombeamento da bancada é composto pela bomba,

reservatórios, tubulação, acessórios e, por fim, por toda a instrumentação utilizada para medir

as grandezas de interesse. A tubulação de sucção tem um diâmetro de 3/4” e a de recalque 1”.

A figura 3.2 apresenta o fluxograma do sistema. Na sequência, a tabela 3.3 apresenta a

legenda para os itens destacados na Figura 3.3. A bancada também possui uma instalação

externa que termina em um reservatório localizado a seis metros de altura.

Figura 3.3 – Visão geral do sistema que compõe a bancada.

38

Tabela 3.3 – Legenda para componentes do sistema.

TAG (etiqueta) Descrição Local

LSL-01 Chave de Nível Baixo TQ-01

LSH-01 Chave de Nível Alto TQ-01

LIT-01 Transmissor de Nível por

pressão diferencial TQ-02

LSL-02 Chave de Nível Baixo TQ-02

LSH-02 Chave de Nível Alto TQ-02

XV-01 Válvula solenoide Saída de TQ-01

XV-02 Válvula solenoide Saída da Bomba (B-

01)

M Manômetro Saída de B-01

PIT-01 Transmissor de Pressão

Manométrico Saída de B-01

FV-01

Válvula eletropneumática de

controle, tipo globo-

contorno

Saída de B-01

FIT-01 Transmissor de Vazão por

pressão diferencial, Saída de B-01

tipo capacitivo

FE-01 Placa de Orifício Saída de B-01

V-2 Válvula manual Saída de TQ-01

V-3 Válvula manual Saída de TQ-02

3.1.4. O medidor de energia

O equipamento utilizado para medir as grandezas elétricas é o Multimedidor de

energia Power Logic Meter PM 850, do fabricante Schneider Electric. O PM 850 é um

medidor multifuncional que contém um dispositivo de controle e aquisição de dados

(SCHNEIDER, 2016). Todas as grandezas medidas são enviadas para o sistema supervisório,

mediante a rede de comunicação de dados. Assim, o usuário tem acesso aos valores de tensão,

corrente, potência (ativa, reativa e aparente), fator de potência, frequência, taxa de distorção

harmônica (de tensão e corrente) e energia.

39

3.1.5. O controlador lógico programável e rede de comunicação

O Controlador lógico programável (CLP) utilizado na bancada corresponde ao modelo

Premium Unity N1 ETH 96kB, código PSXT57163AMTSXP57. O equipamento possui uma

fonte de alimentação, 16 entradas e saídas digitais e 8 entradas e saídas analógicas.

O CLP pode ser programado em cinco linguagens diferentes. Atualmente, é utilizada é

a linguagem Ladder. Todas as informações coletadas através dos transdutores são transmitidas

para o CLP em sinais de corrente de 4 a 20 mA que, posteriormente, são interpretados e

enviados para o sistema supervisório.

A comunicação entre o CLP e micro computador é do tipo Ethernet Industrial TCP-IP,

padrão Modbus TCP. O padrão Modbus (protocolo desenvolvido em 1979 pela Modicon e

que atualmente é gerenciado e mantido pela Modbus IDA) é atualmente o mais utilizado na

indústria, por ser um protocolo aberto, simples, implementado rapidamente, encapsulado no

protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão ethernet com controle de acesso ao

meio por CSMA/CD do tipo mestre-escravo. A comunicação entre o CLP, os acionamentos e

o medidor de energia é Modbus RTU com velocidade de 19.200 bps, 8 data bits, 1 stop bit,

sem paridade (não detecta erro na transmissão). O Modbus utiliza como base para transmissão

as interfaces seriais EIA-232 (ponto-a-ponto) e EIA-485 (multiponto) (LOPES, et al, 2009). A

Figura 3.4 apresenta um desenho esquemático que ilustra a arquitetura da rede de

comunicação da bancada de bomba centrífuga.

Figura 3.4 – Esquemático da rede de comunicação da bancada de bomba centrífuga.

40

3.1.6. O sistema supervisório

As bancadas do laboratório são acionadas através de um computador que, por

intermédio de um sistema supervisório, faz a comunicação com o CLP. Em cada bancada, o

sistema supervisório contém uma tela principal com o desenho esquemático referente ao

fluxograma do sistema, contendo atalho para abertura das telas de comando, medições, banco

de dados, gráficos das grandezas envolvidas nos processos, entre outros, apresentando em

tempo real todas as informações advindas dos sensores (LOPES, et al, 2009).

O sistema supervisório foi desenvolvido no software InduSoft Web Studio, versão 6.1.

É por meio dele que é realizada a grande maioria das ações e comandos. Basicamente, o

supervisório é uma interface que vincula ações do usuário, por meio de comandos em telas e

fluxogramas, ao acionamento e operação dos componentes da bancada. A figura 3.5 expõe a

tela inicial do sistema de bombeamento.

Figura 3.5 – Tela de fluxograma do sistema de bombeamento e dinamômetro.

41

3.2. Ensaios realizados na bancada de estudos

O objetivo dos ensaios foi traçar as curvas características do sistema e da bomba,

estimando as suas equações, de modo que fosse possível verificar:

Ponto de operação da bomba;

Comportamento da pressão em função da vazão no controle via válvula e via

inversor;

Comportamento da potência em função da vazão no controle via válvula e via

inversor, obtendo também a curva de economia;

Observação da ação do envelhecimento no sistema, a fim de estimar perdas.

Para se obter o ponto de operação da bomba (Q.H), conforme visto no capítulo 2, foi

necessário obter a curva característica da instalação e a da bomba, em função da pressão. Esse

levantamento das curvas será feito por meio de ensaios, e a verificação de possíveis perdas

com o tempo de funcionamento, a partir da comparação dos resultados obtidos com o trabalho

desenvolvido em 2010 (LOPES, 2010).

Para a obtenção da curva de instalação do sistema, o sistema foi acionado para fornecer

a vazão máxima (3,6 m³/h) e, posteriormente, foram obtidos novos pontos de operação com o

uso do inversor de frequência. É importante ressaltar que para todos os ensaios foi utilizado o

motor convencional da bancada.

Para se obter a curva da bomba com a bancada, ligou-se o sistema com partida direta, e,

por meio da válvula de estrangulamento, alterações na vazão forma feitas. Isso é necessário,

pois, a válvula simula uma mudança na instalação, inserindo perdas de carga no sistema. Com

isso, a carga hidráulica da tubulação é modificada e a bomba tem de trabalhar em um ponto

inferior de vazão para poder sustentá-la. Sendo assim, o sistema foi colocado inicialmente

com a válvula totalmente fechada, determinando-se o ponto de “shut off”, e em seguida foram

feitos acionamentos constantes na válvula de pressurizada, liberando maiores vazões até que a

válvula ficasse totalmente aberta.

Adicionalmente ao estudo acima realizado, foi feita uma verificação termográfica, a

partir de uma câmera de termografia do fabricante FLIR, a temperatura em todos os trechos

da tubulação, de modo que ficasse comprovado as partes em que há maior perda de carga.

A partir da realização desses ensaios, o capítulo a seguir expõe os resultados e

comparações pretendidas.

42

Capítulo 4

Resultados

Neste capítulo, tem-se os resultados obtidos dos ensaios propostos. Os resultados

foram extraídos do supervisório, através do banco de dados que é disponibilizado. A Figura

4.1 abaixo, mostra a tela em que os dados são extraídos a um arquivo .txt, que foi tratado em

Excel.

Figura 4.1 – Tela do banco de dados na interface do supervisório.

4.1. Curva característica do sistema

A Tabela 4.1 a seguir mostra alguns dos valores obtidos no ensaio com o objetivo de

traçar a curva característica do sistema. Lembrando, o teste foi realizado com o controle da

vazão pelo inversor de frequência.

43

Tabela 4.1 – Medições para obtenção da curva de instalação.

Vazão (m³/h) Pressão (kgf/cm²)

1,20 0,36

1,40 0,45

1,60 0,56

1,80 0,68

2,00 0,82

2,20 0,97

2,40 1,14

2,60 1,32

2,80 1,52

3,00 1,73

3,20 1,95

3,40 2,19

3,60 2,44

Com essas informações, foi possível realizar uma interpolação polinomial, e se chegar

na equação (4.1) do segundo grau que descreve o comportamento do sistema:

0863,0.0098,0².1789,0)( QQQH (4.1)

De posse dessa equação, o gráfico, correspondente a curva, pode ser lançado. A Figura

4.2 faz referência a essa equação, com a vazão variando de 0 a 5m³/s.

Figura 4.2 – Curva característica da instalação (pressão x vazão)

44

De posse desta curva, é possível sobrepô-la à curva de 2010 (LOPES, 2010). A partir

da Figura 4.3 é possível verificar que não houve alteração significativa. O que mostra que a

instalação foi feita com qualidade, tubulação de aço carbono galvanizada, sem presença de

solda, e junções bem colocadas.

Figura 4.3 – Curva característica da instalação (pressão x vazão) com o efeito do tempo.

4.2. Curva característica da bomba

A Tabela 4.2, condensa alguns dados relativos ao ensaio para ser obter a curva

característica da bomba. Lembrando que o teste foi feito, controlando-se a vazão através da

válvula de estrangulamento.

45

Tabela 4.2 – Medições para obtenção da curva da bomba.

Vazão (m³/h)

Pressão (kgf/cm²)

1,20 3,02

1,40 2,98

1,60 2,94

1,80 2,90

2,00 2,85

2,20 2,80

2,40 2,74

2,60 2,68

2,80 2,61

3,00 2,54

3,20 2,47

3,40 2,39

3,60 2,31

A partir dessas informações, foi possível realizar uma interpolação polinomial, e se

chegar na equação (4.1) do segundo grau que descreve o comportamento do sistema:

136,3.0358,0².0538,0)( QQQH (4.1)

A equação da bomba permite traçar a curva característica da mesma, através da Figura

4.4.

Figura 4.4 – Curva característica da bomba (pressão x vazão).

46

A curva traçada da bomba permite mais uma vez, através da Figura 4.5, sobrepor com

a curva da bomba de 2010 (LOPES, 2010). Observa-se que a bomba apresentava um

comportamento linear. O que com ensaios atuais não ocorre mais. Há de fato uma redução da

pressão de “shut off” e aproximação da curva ao eixo da vazão quando a mesma se aproxima

de 5m³/h. Estas observações não são conclusivas de que a bomba está apresentando algum

problema de manutenção, mas são um indicativo. Para uma análise mais profunda, se faz

necessária uma manutenção preditiva.

Figura 4.5 – Curva característica da bomba (pressão x vazão) com efeito do tempo.

4.3. Ponto de operação

Após a obtenção da curva de instalação e da curva da bomba, é possível a obtenção do

ponto de operação do sistema.

O ponto (Q,H) tem as seguintes coordenadas (3,5;2,35). A Figura 4.6 evidencia essa

interseção:

47

Figura 4.6 – Ponto de operação

Da mesma forma, o ponto de operação também foi traçado no mesmo gráfico que o

medido em 2010 (LOPES, 2010), a fim de verificar se a interseção teve coordenadas

modificadas. A Figura 4.7, mostra que não houve alteração significativa. Caso houvesse

algum problema, este ficaria evidenciado ao mudar-se o ponto de operação do sistema.

Figura 4.7 – Ponto de operação com efeito do tempo.

48

4.4. Comparação entre os métodos de controle

No controle a partir do inversor, conforme já estudado, tem-se a regulação da

velocidade do motor que aciona a bomba, e a redução de corrente injetada no motor na

partida, o que reduz a potência gasta pelo sistema. A Figura 4.8 mostra esta situação. Algumas

variações de potência não uniformes foram observadas à medida que a vazão aumentava,

porém, a tendência se manteve.

Figura 4.8 – Vazão vs. Pressão vs. Potência: controle por inversor.

O mesmo gráfico foi desenhado para o controle por válvula, conforme a Figura 4.9. É

possível verificar que a pressão e potência de início da operação são elevadas, e só depois que

a vazão aumenta consideravelmente que há uma queda na pressão. A potência tende a

aumentar com o aumento da vazão, assim como no controle por inversor, porém, a potência

gasta para vazões menores é consideravelmente menor com o conversor.

Figura 4.9 – Vazão vs. Pressão vs. Potência: controle por válvula.

49

As Figuras 4.10 e Figura 4.11 a seguir fazem as mesmas considerações, porém é

possível comparar os dois sistemas de controle nos mesmos quadrantes:

Figura 4.10 – Vazão vs. Potência: controle por meio de inversor e por válvula.

Figura 4.11 – Vazão vs. Pressão: controle por meio de inversor e por válvula.

Para terminar a análise, a Figura 4.12 evidencia a economia percentual de energia com

o uso de inversores em função da vazão. É possível concluir que quanto menor a vazão, mais

economias serão observadas com o uso do inversor.

50

Figura 4.12 – Vazão % vs. Pressão %: economia com uso do inversor.

Dessa forma é possível concluir que o uso do inversor é benéfico apenas em situações

em que a vazão de trabalho está na faixa de 0-70%. Para vazões maiores, deve-se avaliar

economicamente a viabilidade do investimento, visto que inversores de frequência são

equipamentos com custo de instalação e manutenção elevados.

4.5. Termografia para verificação das perdas na tubulação

Adicionalmente ao estudo, foi realizada uma verificação na temperatura da tubulação a

fim de certificar os pontos em que há maior perda de carga. Essa verificação pode ser feita

com a Tabela 2.2, utilizando os coeficientes “k” correspondentes para determinado ponto. O

que dificultou a análise foi a falta de referências que relacionassem o calor à perda localizada

na tubulação. Na Figura 4.13 pode-se observar a diferença de até 1°C na tubulação reta e em

uma curva de 90°.

a) Temperatura em uma reta b) Temperatura em uma curva 90°

Figura 4.13 – Termografia em uma tubulação reta e em uma curva de 90°.

51

Os ensaios com a câmera termográfica foram executados às mesmas condições de

temperatura e pressão ambiente, com auxílio de um sistema de ar condicionado para

controlar-se a temperatura ambiente.

52

Capítulo 5

Conclusões

5.1. Conclusões

O presente estudo teve como objetivo mostrar os aspectos construtivos e as principais

características dos sistemas de bombeamento, a fim de se alcançar maior eficiência energética

em plantas industriais e comerciais.

Em um cenário que seja necessário projetar um sistema de bombeamento é importante

que a tubulação seja construída minimizando-se os comprimentos dos tubos, e o mínimo de

junções e curvas possível, pois são esses pontos que aumentarão a perda do sistema e

resultarão em motores e bombas maiores.

Foi necessário passar por conceitos empregados em mecânica dos fluidos e

hidrodinâmica, até se conseguir chegar na parte prática, desenvolvendo ensaios para

verificação das caraterísticas do sistema, formas de se alcançar a eficiência energética e

eventuais problemas de manutenção.

Foi possível observar na prática que a melhor forma de se controlar uma bomba é

através de inversores de frequência sendo que, a vazões reduzidas, pode ser ter uma economia

de até 80% de potência.

Foi possível verificar também que instalações que seguem as orientações adequadas

tendem a manter o funcionamento sem apresentar problemas por muito tempo. No caso, as

tubulações não sofreram com corrosão devido a instalação não ter a presença de solda ou

falhas na galvanização do aço.

A conformidade dos resultados advindos dos ensaios com a teoria permite concluir

que a bancada de bomba centrífuga contribui com sua aplicabilidade para a elaboração de

diagnósticos energéticos em sistemas de bombeamento, visto que o comportamento do

sistema simula uma planta de grande porte.

53

5.2. Trabalhos futuros

O presente trabalho deu foco a estruturar a base teórica para o estudo de eficiência

energética sistemas de bombeamento, e analisar as diferentes formas de operação do sistema,

assim como os efeitos do tempo na manutenção do sistema e início de uma avaliação

termográfica nas instalações a fim de se identificar perdas.

Para trabalhos futuros, tem-se diversas vertentes que podem ser mais exploradas. A

comparação da curva teórica da bomba com os dados medidos; o estudo de perdas nas

tubulações e no quadro elétrico com o uso da câmera termográfica também é um tema com

muito potencial para ser explorado e publicado; por último a manutenção dos equipamentos é

essencial. Um plano de manutenções é essencial para que se tenha um sistema confiável e

com perdas reduzidas. As manutenções preditivas podem se basear em testes na resistência de

isolamento do motor, verificação das tensões e correntes em cada fase e, análise de vibração,

com o objetivo de identificar desbalanceamentos, desalinhamentos, excentricidades,

ressonância, folgas mecânicas ou falhas nos rolamentos. É comum também a avaliação do

óleo lubrificante, para garantir que não há desgaste do eixo.

Referências Bibliográficas

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